金橋水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鮑呈蒼，韓 斌，蔡 超，王 浪

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710065)

1 工程概況

金橋水電站工程主要由首部樞紐工程(左岸堆石混凝土重力壩、泄洪沖沙閘、排漂閘、右岸擋水壩)、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)、地下廠房、尾水隧洞等主要建筑物組成。

壩址以上控制流域面積4 230 km2，多年平均流量114 m3/s，水庫正常蓄水位3 425.00 m，死水位3 422.00 m，水庫總庫容41.28萬m3，調(diào)節(jié)庫容11.83萬m3。電站總裝機(jī)容量66 MW(3×22 MW)，多年平均年發(fā)電量3.57億kW·h，保證出力6.0 MW，年利用小時(shí)數(shù)5 407 h。工程為三等中型工程。

首部樞紐左岸堆石混凝土重力壩最大壩高27.5 m，引水系統(tǒng)總長(zhǎng)約3.7 km，采用“一洞三機(jī)”的聯(lián)合供水布置形式。在引水隧洞豎井段同一軸線上設(shè)有阻抗式調(diào)壓井，引水隧洞下平段設(shè)有兩個(gè)“卜”形鋼岔管與3條引水支管銜接進(jìn)入地下廠房。3條尾水支洞分別經(jīng)尾水閘門井后，通過尾水岔洞合并為一條有壓尾水隧洞，采用“三機(jī)一洞”的布置形式，經(jīng)出口的尾水閘室和尾水箱涵后接入下游河道。電站額定流量55.5 m3/s，額定水頭136.5 m?？傮w來說，引水系統(tǒng)具有額定水頭大，輸水線路長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2 引水發(fā)電系統(tǒng)地質(zhì)條件

金橋水電站引水隧洞穿越右岸山體，山體高大、陡峻，洞身最大埋深近700 m，過溝段最小埋深120 m，隧洞穿越4條大溝，所穿越的溝谷都有經(jīng)常性流水。洞室圍巖基本為微風(fēng)化巖體，主要巖性為白堊系灰白色花崗巖、奧陶系變質(zhì)石英砂巖，巖體完整性中等，圍巖以Ⅲ類及Ⅱ類為主；斷層破碎帶、影響帶及節(jié)理密集帶巖體均呈碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖為Ⅳ類，基本滿足成洞條件。

根據(jù)地形地質(zhì)條件，地下埋藏式調(diào)壓井所處位置圍巖巖性為前奧陶系變質(zhì)石英砂巖，斷層構(gòu)造不發(fā)育，裂隙中等發(fā)育，圍巖完整性中等，為Ⅲ類圍巖，圍巖較穩(wěn)定。根據(jù)引水發(fā)電系統(tǒng)的布置及洞室覆蓋厚度要求，調(diào)壓井布置于主廠房岸內(nèi)約90 m處，上覆山體為NWW向條形山脊，洞室頂部圍巖厚度154～238 m，左側(cè)有較大的泥石流沖溝，右側(cè)側(cè)向埋深較大，左側(cè)頂部略小厚度約22.62 m。

地下廠房橫軸線方向NE13°，長(zhǎng)83.8 m，跨度17.2 m，上覆巖層厚度220 m，圍巖巖性為前奧陶系變質(zhì)石英砂巖。主裂隙面走向與廠房軸線夾角50°～70°，圍巖完整性中等，為Ⅲ類圍巖，圍巖較穩(wěn)定，開挖后局部有掉塊現(xiàn)象，不存在大的塊體穩(wěn)定問題，滿足成洞條件。

3 引水發(fā)電系統(tǒng)布置優(yōu)化

金橋水電站壩址兩岸山勢(shì)陡峭，河谷狹窄，沿河岸平緩階地較少，綜合考慮兩岸地形地質(zhì)條件、引水發(fā)電系統(tǒng)線路布置、地下廠房布置、交通條件、施工條件及工程投資等因素，確定引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸，由岸塔式進(jìn)水口、引水隧洞、阻抗式調(diào)壓井、壓力管道、地下廠房、尾水系統(tǒng)(尾水隧洞、尾水閘室、尾水箱涵)等部分組成。

3.1 引水隧洞布置優(yōu)化

電站進(jìn)水口緊鄰首部排漂閘右側(cè)，其前緣與壩軸線呈107.3°夾角。取水口總長(zhǎng)8.5 m，底板高程3 412.00 m，布置有兩道5.0 m×8.0 m的主、副攔污柵。取水口經(jīng)長(zhǎng)26 m的漸變段與引水隧洞進(jìn)水閘相連，進(jìn)水閘閘室長(zhǎng)11.5 m，寬8.5 m，孔口設(shè)一道4.8 m×6.0 m的事故檢修閘門，閘底板高程3 408.00 m。

引水隧洞采用“一洞三機(jī)”的聯(lián)合供水方式，電站額定引用流量55.50 m3/s，內(nèi)徑為5.3 m。引水隧洞自進(jìn)水口至2號(hào)施工支洞(樁號(hào)引1+825.85)坡度為4.11%，其后至調(diào)壓井軸線(樁號(hào)引3+537.24)坡度為0.05%。引水系統(tǒng)總長(zhǎng)3 678.38 m，其中引水隧洞長(zhǎng)3 330 m，在引水隧洞(樁號(hào)引3+330.00)處接壓力鋼管段，在壓力鋼管上彎段末端與豎井段在同一軸線上設(shè)有阻抗式調(diào)壓井，經(jīng)壓力鋼管下彎段后接兩個(gè)“卜”形鋼岔管與3條引水支管銜接進(jìn)入地下廠房。壓力鋼管主管內(nèi)徑3.8 m，支管內(nèi)徑2.2～1.8 m，連接上、下平段的轉(zhuǎn)彎段其轉(zhuǎn)彎半徑均為15 m。借鑒國(guó)內(nèi)外水工隧洞新的設(shè)計(jì)理論和方法，對(duì)金橋水電站引水隧洞進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)優(yōu)化：①根據(jù)引水隧洞的線路布置及工程地質(zhì)條件，為便于開挖施工，將引水隧洞開挖斷面形式優(yōu)化為馬蹄形斷面；②根據(jù)引水隧洞埋深及實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)條件，對(duì)于部分Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段取消鋼筋混凝土襯砌，采用掛網(wǎng)噴C20混凝土，厚度為10 cm；③對(duì)于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌，厚度為55 cm，針對(duì)圍巖破碎洞段通過固結(jié)灌漿來改善圍巖力學(xué)性能，利用圍巖作為承載與防滲的主體。

3.2 調(diào)壓井布置優(yōu)化

根據(jù)引水發(fā)電系統(tǒng)的總體布置，電站廠房為尾部式地下廠房。根據(jù)NB/T35021—2014《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)調(diào)壓室的設(shè)置條件：當(dāng)水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw>[Tw]的允許值(2～4 s)時(shí)需設(shè)置調(diào)壓室。經(jīng)計(jì)算，引水發(fā)電系統(tǒng)Tw=7.69 s>[Tw]，故為保證電站的運(yùn)行穩(wěn)定性，需設(shè)置上游調(diào)壓室，調(diào)壓室直徑12 m，阻抗孔直徑2.25 m，最高涌浪高程3 435.94 m，最低涌浪高程3 412.56 m。

結(jié)合引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)壓井的地形地質(zhì)及施工條件，調(diào)壓井采用反井鉆機(jī)進(jìn)行開挖施工，考慮施工支洞及反井鉆機(jī)的布置要求，對(duì)金橋水電站調(diào)壓井的布置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)優(yōu)化：①將原可研階段設(shè)計(jì)的調(diào)壓井形式由氣墊式調(diào)壓室優(yōu)化為阻抗式調(diào)壓井，節(jié)省了設(shè)備費(fèi)用及運(yùn)行管理維護(hù)成本，減少了工程投資。②為降低調(diào)壓井的開挖施工難度，阻抗式調(diào)壓井與引水隧洞豎井段布置在同一軸線上，以方便調(diào)壓井及豎井段開挖施工出渣。③根據(jù)調(diào)壓井相關(guān)計(jì)算結(jié)果，考慮調(diào)壓井頂部交通兼通氣洞以及底部安全水深后，確定調(diào)壓井頂部高程為3 438.50 m，底部高程為3 400.00 m，調(diào)壓井高度為38.5 m，井壁鋼筋混凝土襯砌厚度為0.9 m，在阻抗孔3 331.50 m高程處設(shè)置直徑為3.5 m的小井上接到調(diào)壓井底部，小井高度為68.5 m，井壁混凝土襯砌厚度為0.6 m。將調(diào)壓井沿高度方向分為大井、小井布置，減小了調(diào)壓井的開挖工程量。④為方便調(diào)壓井阻抗孔與壓力鋼管的連接，對(duì)小井段及阻抗孔均增加鋼襯，與壓力鋼管上彎段采用貼邊岔管形式連接。同時(shí)優(yōu)化調(diào)壓井小井段的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，其井壁采用素混凝土襯砌，并將其鋼襯兼作井壁混凝土襯砌的施工模板，以便加快施工進(jìn)度。

3.3 壓力鋼管布置優(yōu)化

在引水隧洞(樁號(hào)引3+330.00)處接壓力鋼管段，壓力管道進(jìn)口及過沖溝段巖體以Ⅴ類圍巖為主，壓力管道走向?yàn)镹W314°，巖層走向NW310°NE∠65°～80°，巖層走向與洞向近平行，對(duì)洞壁穩(wěn)定不利，巖體整體穩(wěn)定性差。

根據(jù)右岸引水發(fā)電系統(tǒng)的線路布置及地形地質(zhì)條件，為保證引水隧洞在過沖溝段的施工質(zhì)量，節(jié)省引水隧洞的開挖工程量和工程投資，對(duì)引水隧洞壓力鋼管設(shè)計(jì)進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)優(yōu)化：①引水隧洞壓力鋼襯段采用“一洞三機(jī)”的聯(lián)合供水布置形式，在壓力鋼管下平段設(shè)有兩個(gè)“卜”形鋼岔管與3條引水支管銜接進(jìn)入地下廠房，以減少引水隧洞的開挖。②壓力鋼管岔管體形采用月牙肋式，通過計(jì)算優(yōu)化調(diào)整主岔管的最大公切球直徑及分叉角等，選擇合適的月牙肋板形式和參數(shù)，降低了岔管的焊接和肋板的制作安裝難度。③為降低壓力鋼管的外水壓力，減少鋼板厚度，在廠房第二層排水廊道布置壓力鋼管排水洞，洞內(nèi)設(shè)置系統(tǒng)排水孔，有效地降低了壓力鋼管的外水壓力。同時(shí)，優(yōu)化壓力鋼管加勁環(huán)的的厚度、高度及布置間距，通過計(jì)算分析，壓力鋼管段采用壁厚為22～24 mm的Q345C級(jí)鋼，節(jié)約了壓力鋼管的鋼材用量。④根據(jù)壓力鋼管的計(jì)算結(jié)果，經(jīng)優(yōu)化取消了壓力鋼管段混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)配筋，節(jié)約了工程投資。

3.4 地下廠房布置優(yōu)化

金橋水電站廠房形式根據(jù)電站開發(fā)方式、總體樞紐布置要求、廠區(qū)地形地質(zhì)條件、施工條件及工程投資等因素綜合考慮。根據(jù)地質(zhì)條件，廠址區(qū)地層巖性主要為中厚層狀圍巖，巖性為前奧陶系變質(zhì)石英砂巖，洞室圍巖分類為Ⅲ類圍巖，滿足修建地下洞室群的成洞條件，由此確定金橋水電站廠房采用地下廠房形式。

為減少地下廠房洞室的開挖跨度，提高洞室圍巖的穩(wěn)定性，節(jié)省工程開挖量和投資，并使廠房?jī)?nèi)部布置緊湊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)地下廠房結(jié)構(gòu)布置采取了以下設(shè)計(jì)優(yōu)化：①主廠房、主變室(尾閘室)平行布置，洞室軸線NE13°，洞室間距30 m。主廠房、副廠房和安裝間呈“一”字形布置，安裝間布置于主廠房右側(cè)，副廠房布置在主廠房左側(cè)，使得廠房布置緊湊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。②主廠房橋機(jī)支撐形式采用巖錨吊車梁結(jié)構(gòu)形式，以減小地下廠房的開挖跨度。③根據(jù)巖錨梁軌頂高程，受安裝間下游側(cè)進(jìn)廠交通洞的影響，在其范圍內(nèi)無法布置巖錨式吊車梁，設(shè)計(jì)采用在交通洞兩側(cè)布置結(jié)構(gòu)柱，在其范圍內(nèi)采用梁式吊車梁，以減小地下廠房的開挖高度。④根據(jù)主、副廠房各層的高度及平面尺寸，考慮交通及機(jī)電設(shè)備布置條件，優(yōu)化調(diào)整了主、副廠房的結(jié)構(gòu)布置。⑤結(jié)合主變(尾閘)室的布置，將尾水管檢修閘門平臺(tái)布置在主變室下游側(cè)，優(yōu)化主變室內(nèi)部布置，取消了尾閘洞室的布置，減少了地下洞室的數(shù)量，加快了工程建設(shè)進(jìn)度。

3.5 尾水系統(tǒng)布置優(yōu)化

尾水系統(tǒng)包含尾水隧洞、尾水閘室及尾水箱涵等，其中尾水隧洞采用“三機(jī)一洞”的布置形式，尾水線路長(zhǎng)77.85 m。尾水系統(tǒng)部位圍巖厚度173～200 m，洞室圍巖巖性為前奧陶系變質(zhì)石英砂巖，斷層構(gòu)造較發(fā)育，根據(jù)廠區(qū)斷層統(tǒng)計(jì)表，有NW280°～310°NE(SW)∠72°～85°和NE35°～40°SE∠38°～47°兩組斷層較發(fā)育，以平移斷層和逆斷層為主；裂隙中等發(fā)育，巖體質(zhì)量相對(duì)略差。

鑒于尾水隧洞斷面尺寸相對(duì)較大，隧洞圍巖質(zhì)量及成洞條件較差，對(duì)尾水系統(tǒng)的布置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)優(yōu)化：①尾水隧洞由原設(shè)計(jì)的變頂高無壓城門洞形優(yōu)化為有壓洞尾水隧洞，減小了尾水隧洞的斷面尺寸；②尾水隧洞采用“三機(jī)一洞”的布置形式，尾水管延伸段通過尾水閘門井后經(jīng)尾水岔洞合并為一條尾水隧洞，減少了尾水隧洞的開挖及支護(hù)工程量；③尾水隧洞內(nèi)水壓力主要由混凝土襯砌承擔(dān)，圍巖承擔(dān)抗力較小，通過計(jì)算工況的合理選取，適當(dāng)考慮固結(jié)灌漿對(duì)圍巖抗力的提高，優(yōu)化了尾水隧洞襯砌混凝土的結(jié)構(gòu)配筋；④尾水隧洞經(jīng)尾水閘室后將尾水渠的分離式擋墻優(yōu)化為箱涵結(jié)構(gòu)，解決了尾水渠砂礫石基礎(chǔ)的承載力低、沉降變形大等問題，同時(shí)也減少了混凝土工程量，節(jié)約了工程投資。

4 結(jié) 語

金橋水電站引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群交叉眾多、地質(zhì)條件復(fù)雜，為保證工程質(zhì)量，節(jié)約工程投資，加快工程施工進(jìn)度，在電站設(shè)計(jì)過程中，分別對(duì)引水隧洞、調(diào)壓井、地下廠房布置及尾水系統(tǒng)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，不僅解決了工程設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)問題，也節(jié)約了工程投資，加快了工程建設(shè)進(jìn)度，做到了引水發(fā)電系統(tǒng)布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。